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  • 科学家研制混合型生物机器人 按预定模式生长

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    • 时间:2016-09-18
    • 来源: 科技生活在线
    • 编译:zy
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      导读: 说到传统的机器人,你可能会想到由金属和塑料制成的一些东西。这种由螺帽和螺栓拼装起来的机器人是由硬金属制成的。
     
      随着机器人在试验室之外的领域承担的任务越来越多,这种死板的系统可能会给人类带来巨大的安全隐患。例如,如果一台工业机器人撞到人,那很可能会造成瘀伤甚至骨折的后果。
     
      人类已经开始研究如何让机器人变得更安全或更柔顺,从冰冷的机器变成柔顺的宠物。
     
      与电动机这样的传统致动器配合使用时,就像使用空气肌肉或者给电动机加上弹簧一样。
     
      例如,Whegs机器人就是在电动机和轮腿之间加上了一个弹簧,如果机器人撞到其他东西比如人,弹簧就可以起到减震和缓冲的作用,这样人就不会受伤了。Roomba吸尘机器人就是另一个例子,它也安装了缓冲器,因此当它撞到家具时也不会损坏家具。
     
      但是现在人们开始朝着另一个方向研究了,人们想把机器人与活体组织结合在一起,研制出能够利用活体肌肉组织或细胞致动的机器人。这些机器人可以利用电子信号或者光线来激活,让细胞组织与它们的骨骼连接在一起,从而让机器人作出各种动作。
     

     
      这种机器人可以像动物一样四处走动,而且躯体会是软的。在与人类共处的时候,它们也会比传统的机器人更加安全,对周围的环境造成的危害也会比较小。当然,既然像动物一样由活体组织或细胞构成,它们也需要摄取营养以维持肌肉的活性。从重量的角度上来说,这种生物机器人会比传统机器人更轻盈一些。
     
      研究员们正在通过培育活体细胞来研制生物机器人,他们用来培育活体细胞的材料通常是老鼠或小鸡的心脏肌肉或骨骼肌肉,培育载体是对细胞组织无损害的支架。如果以高分子材料作培育基板,那么他们研制出来的设备就是生物机器人,一种介于天然材料和人造材料之间的混合体。
     
      如果只是将细胞放在一个模具骨骼上而不加以引导,那么它们发育的方向就是随机的。这意味着当研究员们利用电子信号让它们移动的时候,细胞组织的收缩力就会是散发性的,这就会降低生物机器人的执行效率。
     
      所以为了更好地控制细胞组织产生的力,研究员们转向微成型技术。我们在细胞组织附着的骨骼上刻下或印上微小的线条,它们就会引导着细胞组织按照预定好的模式生长。
     
      控制了细胞组织的生长方向之后,研究员们就可以控制细胞组织施加到基板上的力的大小和方向,从而控制生物机器人的动作。
     
      生物机器人的创意来自动物
     
      除了大批生物混合型机器人之外,研究员们甚至利用纯天然材料研制出一些完全由活体组织构成的机器人。有些机器人在电场的刺激下可以做出爬行或游泳的动作。有些机器人的开发灵感则来自于医学组织工程技术,它们利用长长的矩形手臂来拖动自己前进。
     
      还有一些研究员从自然界寻找开发灵感,他们开发出各种仿生混合机器人。例如,加州技术学院的一群研究员开发出一种类似于水母的生物混合机器人,他们称之为“水母机器人”的这种设备周围安装了一圈的手臂,每一条手臂都用蛋白质材料刻印了微型模型,就像活体水母的肌肉一样。当细胞组织收缩的时候,这些手臂就会向内弯曲,推动生物混合机器人在富含营养物质的液体中向前移动。
     
      最近,研究员们又展示了如何控制生物混合机器人。哈佛大学的一个研究团队利用基因改良的心脏细胞让一种外形酷似蝠鲼的仿生机器人游泳。这些心脏细胞会根据光线的频率做出不同的回应,不同位置的细胞对应的频率也是不同的。
     
      当研究员们用不同的光线去照射这种机器人时,细胞就会收缩并向蝠鲼身体不同位置的细胞发出电子信号,这种收缩力会沿着机器人的躯体传递,推动机器人前进。研究员们已经可以利用不同频率的光线来控制机器人向左转或向右转。如果加强光线的强度,对应细胞产生的收缩力就会变强,这样研究员就能控制机器人四处移动了。
     
      虽然人类已经在生物混合机器人领域取得了令人振奋的研究成果,但是要想让这些设备走出试验室,还有很多重要的工作要做。现在的生物混合机器人的使用寿命还比较有限,输出的力量也不大,这就限制了它们的速度和完成各种任务的能力。由哺乳类动物或鸟类动物的细胞制成的机器人对环境条件的要求也是很挑剔的。
     
      例如,周围环境温度必须与生物肌体温度接近,而且细胞也需要定期用营养丰富的液体滋养。其中一种解决方案是将这些生物混合机器人包装起来,让肌体不会受到外界环境的破坏并且还能一直浸润在营养液中。
     
      另一种解决方案是利用更强健的细胞组织来作致动器。凯斯西储大学正在研究使用坚硬的深海生物海蜗牛的细胞来制作生物混合机器人致动器的可能性。因为海蜗牛生活在潮间地带,因此可以经受温度和环境含盐浓度在一天之中发生巨大的变化。
     
      退潮后,海蜗牛就会被困在潮水留下的水洼中。当太阳升起之后,环境温度会不断上升,水洼中的水分被蒸发掉之后,周围环境含盐浓度也会不断上升。而在下雨的时候,情况刚好相反,周围环境的含盐浓度会因为被雨水稀释而下降。当潮水再次来临的时候,海蜗牛才能从水洼中被解放出来。因此,海蜗牛在不断进化的过程中形成了非常坚硬的细胞组织以适应这种多变的环境。
     
      我们已经能够用海蜗牛的活体组织来控制生物混合机器人的行动,这说明我们可以利用这种抗性极强的组织来研制更坚固的生物机器人。这种生物机器人可以搬起大约1.5英寸长1英寸宽的小块重物。
     
      人们在开发生物机器人时遇到的另一个重要问题是这类设备缺乏一种板上控制系统。现在,工程师们是通过外界电场或光线来控制它们。为了开发出完全自动化的生物混合机器人,我们还需要能与肌肉组织直接交互以及为生物混合机器人提供感应器信号输入的控制器。其中一种设想是利用神经元或神经簇来作组织控制器。
     
      这也是我们对于能够将海蜗牛用于试验室研究感到兴奋的另一项重要原因。这种海蜗牛被作为模型系统用于神经生物研究已有数十年的历史。人们已经知道了很多关于它的神经系统与肌肉之间的关系的知识,这就让我们用它的神经元来作为组织控制器成为了可能。
     
      虽然这个领域的研究工作还处于非常早期的阶段,但是研究员们已经可以设想出生物混合机器人的许多应用前景了。例如,我们利用蛞蝓组织研制的微型生物混合机器人可以被用来寻找有害物质或检查管道泄漏情况。从理论上来说,由于这类设备的生物兼容性,即便它们被野生动物撕碎或者吃掉,也不会像传统的机器人那样造成环境破坏或环境污染。
     
      有朝一日,这些机器人可能会用人体细胞制成并用于医疗领域。生物机器人可以用于定向给药、清除栓塞或者作为可控支架来使用。这类支架使用的是组织基板而非多分子材料,因此它们可以用来增强血管壁的强度,避免形成动脉瘤;并且这些设备未来还有可能继续改造和完善,并被整合到人体之中。
     
      除了目前正在开发的小型生物混合机器人之外,人类对于组织工程技术的研究也会为研制出大型生物机器人创造机会。
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